推动电源创新与定制的数字反馈回路
发布时间：2010-9-30 09:35
发布者：eetech
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出于更好的功率调节和更严密的安全性考虑，需要高效而智能的电源——可以从外部进行监控，制造上更具成本效益，且硬件改动极小的电源。电源工程的发展已经表明：功率转换反馈回路的数字控制使得设计人员能够以更低的成本开发出更精确、可靠的电源，且电源的功率密度更高，可以更快上市。 在DC/DC转换额定功率＜100W和AC/DC转换额定功率＜250W的电源中，使用模拟反馈电路仍然是有道理的。但是，在功能要求更高、额定功率更大的电源中，功率转换反馈回路的数字控制就变得至关重要，因为它能克服固定模拟方法所具有的大部分局限性。例如，容性负载可能会显著影响电源的稳定性。尽管设计模拟反馈系统时，可以处理容性负载，但负载电容的显著变化可能会超出设计的相位和增益裕量。而数字反馈系统的优点之一是能够随时调整补偿，这样反馈就能实时地对变化范围较宽的负载特性进行补偿。 一直到不久前，数字反馈系统的使用仍相当有限，原因是数字反馈系统被认为是复杂的，所需DSP的成本不低以及外设的能力有限。不过，经过一定的培训，人们头脑中对数字反馈系统的复杂性印象开始逐渐减弱；同时，数字信号控制器DSC的引入也减轻了成本和外设功能等方面问题。 DSC把MCU的外观和DSP的计算处理能力结合在一起。最终得到的DSC既展现了DSP的数学性能，又保持了外设的灵活性以及复杂而协调的功能。DSC显著降低了设计的复杂度，但又没有牺牲CPU性能。实际上，凭借上述特性，采用DSC的设计要比DSP设计简单得多，因为很多DSC产品都具有电源友好的片上外设。这样的外设包括基于计数器的脉宽调制模块、模拟比较器以及ADC等；从而能够进行基于模拟比较器的反馈和ADC采样。这些功能，再加上单时钟周期的快速乘法，使得DSC能够轻松处理电源控制回路软件所需的高执行速度。 由于DSC的性能，再加上高功率设计的较低开关频率，即使是一块带有恰当外设、性能普通的DSC也能轻松地处理多个控制回路。这意味着，单个芯片不仅能够改善电源的响应特性，还能够同时改善多个独立输出的响应特性。 在开始电源设计之前，设计人员必须做出三项决策： 1 设计的拓扑结构 2 工作模式 3 控制方法 拓扑结构主要由设计中输入至输出的电压比决定。工作模式取决于拓扑结构、需要的输出电流以及元器件相关成本。最后，控制方法通常取决于可用的技术，其次是元器件成本。我们将详细讨论它们，同时还要考虑到DSC的使用将如何影响决策。 拓扑结构 如前所述，拓扑结构主要由设计中输入至输出的电压比决定。对于较高的输入电压，通常使用降压拓扑结构；而较低的输入电压则通常使用升压拓扑结构。然而，经常影响拓扑结构决策的另一个因素是：是否存在满足功能要求同时又与所选拓扑结构兼容的PWM控制器。说到底，如果设计人员不能产生合适的开关信号，使用开关式电源SMPS是不可能的。 这时，就该DSC上场了。由于DSC的外设是可编程的，就有可能产生单个PWM输出、两相或多相PWM输出、半桥驱动输出，甚至产生全H桥驱动输出。实际上，由于DSC外设的可编程性，给定的拓扑结构甚至不需要保持不变。DSC完全有能力从单相切换到两相，然后再切换到三相，切换时在相与相之间都能保持恰当的相移。有些DSC甚至功能更强，它们提供了桥式输出之间的死区控制，从而避免同步开关设计中的超调电流（见图1）。  图1 可能的DSC PWM配置 工作模式 接下来要考虑的是工作模式。通常，模拟设计要么使用连续电感电流，要么使用不连续的电感电流。这两种选择都有明显的优点。不连续的电流模式设计，即便输出电流降到零，也能够维持电压稳定。连续的设计使用更小的磁材料，能够对输出电压纹波进行更好的控制。不久之前，由于这两种模式的反馈要求不同，还不可能有效地把它们组合在一起。现在，这一组合已成为可能了。 但是，在工作时可以实时地重新配置DSC的可编程外设。这就意味着采用DSC的设计能够在工作模式之间进行切换；当输出电流足以使工作稳定运行时切换到连续模式，而当输出电流下降得过低时切换到不连续模式。 模拟设计当然能够进行类似的切换，尽管如此，模拟设计却需要两条反馈通道（每种模式一条），切换时将产生瞬间毛刺。所以，DSC就多了一个优点，它只需要一条反馈通道。由于反馈是建立在软件基础之上的，就还有可能预先装载反馈滤波器的存储元件，从而防止出现切换毛刺（见图2）。  图2 DSC工作模式改变 控制方法 最后的决策是设计的控制方法——是使用电压模式控制还是电流模式控制。传统的模拟SMPS设计使用这两种控制方法中的任何一种，最终的决策通常取决于成本和可用的技术。 电压模式控制是较老的方法，大多数早期SMPS设计中使用的就是电压模式控制；它使用斜坡信号发生器和电压比较器把来自偏差放大器/回路滤波器的偏差信号，转换成PWM脉冲宽度。虽然简单，但电压模式控制有三个基本局限。首先，没有为保护电路元件而对电流进行限制。其次，对于输入或输出的瞬变响应较慢。第三，它产生的反馈回路本质上是不稳定的。 电流模式是更好更安全的控制模式，它在构成上是双回路的。内电流回路用来给电感充电，一直充到由输出电压回路指定的峰值电流为止。外回路类似于电压模式控制的反馈回路，它也监控输出和相位/频率，补偿反馈，并调节由电流回路传输的能量。 由于内环定期调节电感电流，电感器必然不能记忆前次脉冲，也不能把能量从一个周期传递给另一个周期。内环还为晶体管提供了峰值电流保护，消除了磁性元件中的磁滞效应，抑制了输入电压引起的变化，还提供了简便的控制回路补偿。 在数字SMPS设计中，电流模式控制的一种有效实现建立在DSC使用的基础之上。DSC具有片上PWM外设，其工作方式与电流模式PWM发生器一样（见图3）。区别在于数字反馈的输出。电压模式设计利用反馈来直接控制PWM的占空比；而电流模式设计则利用DSC中PWM的基于比较器的脉冲终止功能，根据电流反馈来调节脉冲宽度，来调节由数字反馈驱动的数模转换器输出。  图3 SMPS设计中，采用DSC的数字电流模式控制 通过计算SMPS设计所需的PWM频率和最大占空比，并使用这些参数来配置PWM计数器，就可实现电流模式控制。这设定了系统的最大占空比和脉冲频率。接下来，设计必须调整DAC参考输出，以便处理预期的最大范围内的电流反馈信号。这样做，在控制PWM占空比时能够提供最高的精度。最后，要开发特定的比例－积分－微分软件程序，这是控制和稳定系统所必须的。PID程序不仅为稳定性提供了恰当的反馈（基于来自ADC的电压反馈），而且还必须把反馈信号与其内部数字参考信号进行比较，输出期望的电流设定值给DAC（DAC产生比较器的参考信号）（见图3）。 数字回路控制注意事项 在SMPS应用中使用DSC应考虑的关键因素是要确保片上PWM模块能够为电源设计提供足够的分辨率。DSC上的ADC为系统提供至控制回路的状态（反馈信号），其也应该有足够的分辨率和速度。接下来，重要的是挑选DSC，DSC的片上模拟比较器要为产生脉冲宽度提供足够的速度。ADC可以替代比较器，用来终止PWM脉冲，但ADC得连续地监控和处理信号。这是对处理能力的浪费，因为被监控的信号仅仅与固定的限值进行比较。高速模拟比较器解放了处理器和ADC，让它们执行其他更有价值的任务，同时使得DSC能够执行电源故障保护和电流限制功能。 此外，如果DSC的ADC模块能够提供独立的采样保持电路，那么这样的DSC会很有用。于是，DSC能够在准确的时刻同时对多个电压或电流信号进行采样，这样甚至能够对持续时间短暂的信号进行采样，有助于降低系统成本。如果ADC能够进行异步采样就更好，因为它能支持工作在不同频率下的多重控制回路，诸如运行在70kHz的功率因数校正电路和工作在250kHz的DC/DC模块。 SMPS设计中的PID算法 使用PID算法（见图4），把偏差——实际输出电压与期望值之差——的比例、积分和微分组合在一起，控制PWM占空比。电压及电流模式控制回路中均可采用PID算法。同样的，有些DSC并不需要复杂的DSP编程技能，因为它是在熟悉的MCU环境中把DSP功能当作外设来提供。  图4 PID控制循环的软件结构 大于50%的占空比可能会出现电流模式的稳定性问题。但是，通过PID软件可以方便地进行处理，软件设定了期望的电流大小，所以按比例缩放DAC值非常简单。这就使得斜坡补偿的数字实现，要比使用模拟技术更加容易；使用模拟技术的话，斜坡发生器要与PWM脉冲进行同步，还需要一个把斜坡信号与电流反馈信号相加的求和点。使用这种方法，得到的是电流模式的SMPS设计，与运行在1～2 BIPS的快速控制器相比较，设计是基于经济的、MIPS更低的DSC的。例如，Microchip的dsPIC30F202X DSC具有高精度数字PWM发生器、额定采样速度为每秒两百万次的ADC、带关联10位参考DAC的高速模拟比较器以及30 MIPS高性能具备DSP处理能力的控制器。 PID控制循环是控制软件的核心（见图4）。每当ADC中断定期发生时，就运行该软件。诸如电压斜坡上升/下降、偏差检测、前馈计算这样的系统函数以及通信支持程序应该在空闲循环（Idle Loop）中执行，其目的是要减轻PID控制软件中不必要的工作负担。 由于软件中PID循环是时间要求很高的部分，为了高效使用DSC的资源，PID循环占用的可用处理器带宽不应该超过66%。这样，就给设计留下了足够的处理器能力，以便处理诸如通信等在空闲循环中执行的函数，或者处理诸如软启动和定序这样的支持函数。在基于30MIPS DSC的SMPS应用中，PID循环由30条指令组成，执行时间约为1μs。如果循环速度保持在500kHz（约2μs）的话，PID控制循环使用可用处理器带宽的一半，即15MIPS。 SMPS中数字反馈控制的优点 在电源中使用数字反馈控制有若干优点，优点主要是关于灵活性的，让设计人员拥有了更多的自由，更大的创新空间。前面已经提到，设计中经常考虑的问题是：在设计实现时有没有合适的技术可利用。DSC的优点在于其可配置性，使设计人员能够开发出针对所需设计的适当技术。例如，如果电源必须在启动和关断期间协调多个输出电压，或者必须在一组独立的功率转换模块之间进行负载或电流共享，数字反馈控制无需额外支出，就能提供这样的功能。如果使用模拟元件以这样的方式来定制电源的话，成本将非常高昂。 另一个优点在于能够实时地改变系统，或者说拥有“热交换”（hot-swap）功能。例如，在电信或其他任务至关重要的应用中，如果电源模块出现故障的话，服务技术人员可以在系统继续工作时，用新电源模块来替换故障模块。使用模拟元器件的话，这种“热交换”功能将会非常昂贵，但如果电源是通过DSC进行数字控制的话，就极具成本效益优势。 此外，如果电源必须应对不断变化的需求的话，可以方便地对DSC重新编程，以便满足要求；但是对于基于模拟的电源设计，就必须从头设计新的模块。还有，由于有片上闪存，DSC能够简化电源生产装配线，即可以对一个批次的硬件设计进行配置，以便满足客户不同的电压和/或电流要求。电源微调和校准也可以通过对DSC的闪存进行编程来实现，从而不需要微调电位计或由激光微调电阻。数字电源还能够载入测试友好的软件，用于开发板的测试，或者，基于相同的DSC硬件平台，生产多种定制产品。 结语 关键之处在于，数字功率转换的好处众多；通过使用片上支持电源的外设的DSC，设计人员现在能够以一种简便、兼具成本效益的方式领略到这些优点。数字电源让设计人员拥有更多的自由，更大的创新空间，能够设计出可靠性更高、灵活性更大且可响应瞬态变化的电源，而且可以在生产末期通过固件来方便地进行定制，而不是通过硬件来进行。 |
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